Una fotocélula, o resistencia dependiente de la luz (LDR), es una pequeña pieza que cambia su resistencia dependiendo de la luz que la rodea. En la oscuridad, la resistencia es alta y con luz brillante, disminuye. Esta simple acción hace que las fotocélulas sean útiles en dispositivos que necesitan funcionar automáticamente con la luz, como farolas, lámparas de jardín y controles de brillo de pantalla. En este artículo, explicamos cómo funcionan las fotocélulas, de qué están hechas, sus características y dónde se utilizan.
Descripción general de la fotocélula
Una fotocélula, también llamada fotorresistencia o resistencia dependiente de la luz (LDR), es una parte electrónica que cambia cuánto resiste el flujo de electricidad dependiendo de la luz que la golpea. Cuando hay muy poca luz, su resistencia se vuelve muy alta, llegando a veces a millones de ohmios. Cuando hay luz brillante, su resistencia se vuelve muy baja, a veces solo unos pocos cientos de ohmios. Este cambio en la resistencia hace que las fotocélulas sean útiles en circuitos que necesitan reaccionar a los niveles de luz sin control humano. Trabajan silenciosamente en segundo plano, ajustando la forma en que fluye la electricidad en función de la cantidad de luz que los rodea. Debido a esto, se utilizan en muchos sistemas donde se requiere un control automático de la luz.
Funcionamiento de una fotocélula
Este diagrama muestra cómo funciona una fotocélula (resistencia dependiente de la luz o LDR) a través del principio de fotoconductividad. Cuando los fotones de luz golpean la superficie del material de sulfuro de cadmio (CdS), excitan electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Este proceso genera electrones libres y huecos dentro del material.
Los electrones liberados aumentan la conductividad de la trayectoria de CdS entre los electrodos metálicos. A medida que se absorben más fotones, se producen más portadores de carga, lo que reduce la resistencia general de la fotocélula. En la oscuridad, hay muy pocos electrones disponibles, por lo que la resistencia se mantiene alta. Bajo una iluminación brillante, la resistencia disminuye notablemente, lo que permite que pase más corriente.
Materiales y construcción de fotocélulas
Esta imagen ilustra la construcción interna y los materiales de una fotocélula. En su núcleo, una fina capa de sulfuro de cadmio (película CdS) se deposita sobre un sustrato cerámico. Esta capa de CdS es el material sensible a la luz cuya resistencia cambia con la iluminación.
Los electrodos metálicos están estampados en la parte superior de la película CdS para recoger y transferir las señales eléctricas generadas cuando la luz excita el material. Estos electrodos están cuidadosamente dispuestos para garantizar el máximo contacto con la capa de CdS, mejorando la sensibilidad y la respuesta.
Todo el conjunto está encerrado dentro de una cubierta protectora transparente, que protege los componentes del polvo, la humedad y los daños mecánicos al tiempo que permite el paso de la luz. Esta construcción garantiza la durabilidad, confiabilidad y rendimiento estable de la fotocélula en diversas condiciones ambientales y de iluminación.
Especificaciones eléctricas
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Resistencia a la oscuridad | ≥ 1 MΩ (en completa oscuridad) |
| Resistencia a la luz | 10–20 kΩ @ 10 lux |
| Gamma (γ) | 0,6–0,8 |
| Tiempo de subida / bajada | 20–100 ms |
| Pico espectral | 540–560 nm |
| Voltaje máximo | 90–100 V |
| Disipación máxima de potencia | \~100 mW |
Respuesta espectral de las fotocélulas
• Sensibilidad máxima: las fotocélulas responden más fuerte en el rango verde-amarillo (540-560 nm), que es también la región donde la visión humana es más sensible.
• Baja sensibilidad a IR y UV: Muestran una respuesta mínima a la radiación infrarroja (IR) y ultravioleta (UV). Esto evita la falsa activación de fuentes de calor, el resplandor de la luz solar o la luz no visible.
• Ventaja: Debido a esta coincidencia de ojos, las fotocélulas se utilizan en medidores de luz, controles automáticos de brillo, sensores de luz ambiental y sistemas de iluminación de ahorro de energía.
Comportamiento dinámico de las fotocélulas
Tiempo de respuesta
Las fotocélulas reaccionan en decenas de milisegundos, lo que es demasiado lento para detectar fuentes de luz que cambian rápidamente o parpadean.
Efecto de histéresis
Es posible que la resistencia no siga la misma curva cuando la intensidad de la luz disminuye que cuando aumenta. Esto puede introducir pequeños errores de medición en los sistemas de control.
Envejecimiento y degradación
La exposición prolongada a luz intensa, radiación UV o condiciones exteriores puede cambiar permanentemente los valores de resistencia, reduciendo la precisión del sensor con el tiempo.
Comparación: fotocélula vs fotodiodo vs fototransistor
| Característica | Fotocélula (LDR) | Fotodiodo | Fototransistor |
|---|---|---|---|
| Costo | Muy bajo | Bajo-medio | Bajo-medio |
| Velocidad de respuesta | Lento (20-100 ms): no se puede detectar el parpadeo o la luz de alta frecuencia | Muy rápido (nanosegundos a microsegundos): ideal para la detección de alta velocidad | Medio (microsegundos a milisegundos): más rápido que LDR pero más lento que el fotodiodo |
| Linealidad | Pobre: respuesta no lineal a la intensidad de la luz | Excelente – respuesta altamente predecible | Moderado: mejor que LDR, menos preciso que el fotodiodo |
| Coincidencia espectral | Coincide con el ojo humano (pico verde-amarillo a 540-560 nm) | Amplio espectro; Se puede ajustar con filtros ópticos | Sensible principalmente a lo visible o a los infrarrojos, según el diseño |
| Manejo de potencia | Dispositivo pasivo, baja potencia nominal (\~100 mW) | Muy bajo, requiere sesgo | Moderado, puede amplificar la fotocorriente |
| Aplicaciones | Sensores crepusculares, juguetes, detección de luz ambiental, lámparas de jardín | Medidores de luz, comunicación óptica, equipos médicos | Detección de objetos, sensores remotos IR, codificadores de posición |
Circuitos básicos de fotocélulas
Divisor de voltaje a entrada ADC
Una fotocélula y una resistencia forman un divisor que produce un voltaje proporcional a los niveles de luz. Esto es ideal para microcontroladores como Arduino o ESP32, donde la señal puede ser leída por un convertidor analógico a digital (ADC) y asignada a valores de lux o brillo.
Umbral del comparador (interruptor oscuro/brillante)
Al conectar la fotocélula a un circuito comparador, la salida cambia entre ALTA y BAJA dependiendo de la luz. Un ejemplo clásico son las farolas automáticas que se encienden cuando la luz cae por debajo de un umbral establecido, como 20 lux.
Divisor motorizado de ciclo de trabajo (modo de bajo consumo)
En los sistemas alimentados por batería o IoT, el divisor solo se puede alimentar durante la medición. Esto reduce el uso de energía y al mismo tiempo proporciona una detección de luz confiable, lo que lo hace adecuado para sensores remotos o nodos de iluminación inteligentes.
Reglas de diseño para circuitos de fotocélulas
Calibración para la precisión
Los LDR tienen una respuesta no lineal a la luz. Para lograr lecturas precisas, registre los valores de resistencia a niveles de luz conocidos y ajuste los datos a una curva log-log. Esto permite un mapeo más preciso entre la resistencia y la iluminación.
Efectos de la temperatura
Las fotocélulas de sulfuro de cadmio (CdS) exhiben un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esta deriva puede causar errores en entornos con niveles de calor cambiantes, por lo que es posible que se necesite compensación o corrección.
Blindaje óptico
El deslumbramiento directo o los reflejos perdidos pueden distorsionar las lecturas. El uso de un difusor o una carcasa garantiza que el sensor solo mida la luz ambiental, mejorando la estabilidad y la repetibilidad.
Filtrado de señales
Las fuentes de luz como los LED y las lámparas fluorescentes pueden introducir ruido de parpadeo. Agregar un promedio de software o un simple filtro de paso bajo RC (condensador + resistencia) suaviza la salida para mediciones más limpias.
Aplicaciones de fotocélulas
Alumbrado público automático
Las fotocélulas se utilizan ampliamente en sistemas de iluminación exterior. Detectan la caída de la luz ambiental al anochecer y encienden automáticamente las farolas, luego las apagan al amanecer. Esto reduce la intervención manual y ahorra energía.
Lámparas solares de jardín
En las luces de jardín que funcionan con energía solar, las fotocélulas detectan cuándo oscurece. La energía solar almacenada se utiliza para alimentar los LED, lo que garantiza un funcionamiento automático sin interruptores.
Control de brillo de pantalla y pantalla
Los teléfonos inteligentes, televisores y monitores usan fotocélulas para ajustar el brillo de la pantalla. Al detectar la luz ambiental, optimizan la visibilidad al tiempo que reducen la fatiga visual y conservan la vida útil de la batería.
Sistemas de exposición de la cámara
En las cámaras, las fotocélulas ayudan a medir la intensidad de la luz para establecer automáticamente el tiempo de exposición correcto. Esto garantiza fotografías correctamente iluminadas en diferentes condiciones de iluminación.
Sistemas de seguridad y protección
Las fotocélulas están integradas en sensores de movimiento, sistemas de acceso a puertas y alarmas antirrobo. Detectan cambios en los niveles de luz causados por movimiento u obstrucción, activando alarmas o activando luces.
Automatización industrial
Las fábricas utilizan fotocélulas para la detección de objetos en cintas transportadoras, sistemas de empaque y aplicaciones de conteo. Su rápida respuesta ayuda a detectar materiales sin contacto.
Gestión de la energía en los edificios
Las fotocélulas se integran en los sistemas de edificios inteligentes para regular la iluminación interior. Las luces se atenúan o apagan automáticamente en respuesta a la luz natural del día, mejorando la eficiencia energética.
Prueba y calibración de una fotocélula
• Coloque la fotocélula (LDR) en condiciones de luz controladas, como 10, 100 y 1000 lux, utilizando una fuente de luz calibrada o un luxómetro.
• Registre los valores de resistencia en cada nivel de luz para capturar la respuesta del sensor.
• Grafique la resistencia contra lux en una escala logarítmica. Esto le permite extraer la pendiente, conocida como gamma (γ), que caracteriza el comportamiento de la fotocélula.
• Utilice la curva ajustada para crear una tabla de conversión o fórmula que asigne las lecturas de ADC de su microcontrolador directamente a los valores de lux.
• Vuelva a probar el sensor a diferentes temperaturas, ya que las fotocélulas CdS son sensibles a la temperatura, y aplique correcciones si se observa deriva.
• Almacene los datos de calibración en el software o firmware de su sistema para obtener mediciones de luz confiables y repetibles.
Conclusión
Las fotocélulas son sensores de luz simples y confiables que ajustan la resistencia según el brillo. Si bien son más lentos que otros sensores, siguen siendo rentables y prácticos para usos comunes como farolas, pantallas y sistemas de ahorro de energía. Con la calibración y el diseño adecuados, las fotocélulas continúan brindando un rendimiento confiable tanto en dispositivos cotidianos como en aplicaciones industriales.
Preguntas frecuentes
Pregunta 1. ¿Las fotocélulas se dañan con el polvo o la humedad?
Sí. El polvo y la humedad pueden reducir la sensibilidad, por lo que los modelos para exteriores deben estar sellados o resistentes a la intemperie.
Segundo trimestre. ¿Pueden las fotocélulas detectar luz muy tenue?
No. Las fotocélulas CdS estándar no son confiables a la luz de las estrellas o con muy poca luz.
Tercer trimestre. ¿Cuánto duran las fotocélulas?
De 5 a 10 años, pero la exposición al calor, los rayos UV y la luz solar pueden acortar su vida.
Cuarto trimestre. ¿Están las fotocélulas restringidas ambientalmente?
Sí. Las fotocélulas basadas en CdS pueden estar limitadas por las reglas de RoHS porque contienen cadmio.
Pregunta 5. ¿Pueden las fotocélulas medir el color de la luz?
No. Solo detectan el brillo, no la longitud de onda.
Pregunta 6. ¿Son buenas las fotocélulas para la luz que cambia rápidamente?
No. Su respuesta lenta (20-100 ms) los hace inadecuados para el parpadeo o la luz pulsada.